Роль файловой системы. Файловая система пк. Флеш-память как двигатель прогресса

Одной из главных задач ОС является обеспечение обмена данными между приложениями и периферийными устройствами компьютера. В современных ОС функции обмена данными с периферийными устройствами выполняет подсистемы ввода-вывода. Подсистема ввода-вывода включает драйверы, для управления внешними устройствами, и файловую систему.

Для предоставления удобства работы пользователя с данными, которые хранятся на дисках, ОС заменяет физическую организацию данных её логической моделью. Логическая структура – дерево каталогов, которое отображается на экране программой «Проводник» и т.д.

Файл – именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой считывать данные. Файлы хранятся в памяти, не зависящей от энергопитания, обычно на магнитных дисках. Данные организуются в файлы с целью долговременного и надежного хранения информации и с целью совместного использования информации. Для файла могут быть установлены атрибуты, в компьютерных сетях – права доступа.

Файловая система включает:

Совокупность всех файлов на логическом диске;

Структуры данных, которые используются для управления файлами – таблицы свободного и занятого пространства на диске, таблицы расположения файлов и т.д.

Системные программные средства, которые позволяют выполнять операции над файлами, такие как создание, удаление, копирование, перемещение, переименование, поиск.

Каждая ОС имеет свою файловую систему.

Функции файловой системы:

Распределение дисковой памяти;

Присвоение имени файлу;

Отображение имени файла в соответствующий физический адрес во внешней памяти;

Обеспечение доступа к данным;

Защита и восстановление данных;

Типы файлов

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов, в число которых, как правило, входят:

Обычные файлы , или просто файлы, которые содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая создается в результате работы системных или пользовательских программ. Содержание обычного файла определяется приложением, которое с ним работает. Обычные файлы делятся на два больших класса: исполнимые и неисполнимые. ОС должна уметь распознавать собственный исполнимый файл.

Каталоги – особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, которые размещены в этом каталоге (содержит имена и сведения о файлах). С точки зрения пользователя каталоги позволяют упорядочить хранение данных на диске. С точки зрения ОС каталоги используются для управления файлами.

Специальные файлы – это фиктивные файлы, которые соответствуют устройствам ввода-вывода и предназначены для выполнения команд ввода-вывода.

Как правило, файловая система имеет иерархическую структуру, во главе которой располагает один корневой каталог, имя которого совпадает с именем логического диска, а уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня входит в каталог более высокого уровня.

Каждый файл любого типа имеет свое символьное имя, правила образовании символьных имен свои в каждой ОС. В иерархически организованных файловых системах используется три типа имен: простое или символьное, полное имя или составное и относительное.

Простое имя определяет файл в пределах одного каталога. Файла могут иметь одинаковые символьные имена, если они расположены в разных каталогах. «Много файлов – одно простое имя».

Полное имя представляет собой последовательность простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла, и самого имени файла. Полное имя файла однозначно определяет файл в файловой системе. «Один файл – одно полное имя»

Относительное имя файла определяется через понятие текущий каталог, то есть тот каталог, в котором в данный момент находиться пользователь. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, для того чтобы затем использовать его как дополнение к относительному имени для образования полного имени. Пользователь записывает имя файла, начиная от текущего каталога.

Если ОС поддерживает несколько устройств внешней памяти (жесткий диск, дисковод, CD ROM), то хранение файлов может быть организовано двумя способами:

1. На каждом из устройств размещается автономная (своя собственная) файловая система, то есть файлы, находящиеся на этом устройстве, описываются свои деревом каталогов ни как не связанных с деревом каталогов другого устройства;

2. Монтирование файловых систем (ОС UNIX). Пользователь имеет возможность объединить файловые системы, находящиеся на разных устройствах, в единую файловую систему, которая будет иметь единое дерево каталогов.

Атрибуты файлов – свойства, приписываемые файлу. Основные атрибуты – Только для чтения, Системный, Скрытый, Архивный.

Файловая система ОС должна предоставить пользователю набор операций для работы с файлами в виде системных вызовов. Этот набор включает системные вызовы: create (создать файл), read (читать), write (запись), close (закрыть) и некоторых других. При работе с одним файлом, как правило, выполняется не одна операция, а последовательность. Например, при работе в текстовом редакторе. Какая бы операция не выполнялась над файлом, ОС должна выполнить ряд универсальных для всех операций действий:

1. По символьному имени файла найти его характеристики, которые хранятся в файловой системе на диске;

2. Скопировать характеристики файла в ОП;

3. На основании характеристик файла проверить права доступа на выполнение запрашиваемой операции (чтение, запись, удаление);

4. После выполнения операции с файлом очистить область памяти, отведенную под временное хранение характеристик файла.

Работа с файлом начинается с системного вызова OPEN , который копирует характеристики файла и проверят права доступа, и завершается системным вызовом CLOSE, который освобождает буфер с характеристиками и делает невозможным продолжение работы с файлом без его повторного открытия.

Файловая организация данных называют распределение файлов по каталогам, каталогов по логическим дискам. Логический диск – Каталог – Файл . Пользователь имеет возможность получить информацию о файловой организации данных.

Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на конкретном устройстве внешней памяти называется Физической организацией файловой системы.

Файловая система определяет то, как будут храниться данные на диске, и какие принципы доступа к хранимой информации могут быть использованы при её считывании.

Мы привыкли воспринимать информацию на нашем ПК в виде конкретных файлов, аккуратно (или не очень:)) разложенных по папкам. А, между тем, Ваш компьютер работает с данными совсем по иному принципу. На жёстком диске для него не существует цельных файлов. Он "видит" лишь чётко адресованные секторы с байт-кодом. Причём код одного файла не всегда хранится в соседних секторах (так называемая фрагментация данных).

Как же компьютер "понимает", где ему, например, искать наш текстовый документ, который лежит, скажем, на Рабочем столе? За это, оказывается, отвечает файловая система жёсткого диска. И сегодня мы с Вами узнаем, какие бывают файловые системы и каковы их особенности.

Что такое файловая система

Чтобы понять, что такое файловая система, лучше всего воспользоваться методом аналогий. Представим, что жёсткий диск - это некий ящик, в котором хранятся разноцветные кубики. Эти кубики - части разных файлов, хранящихся в ограниченных по размеру ячейках, называемых кластерами . Они могут быть просто навалены кучей или иметь определённый порядок размещения. Так вот, если эти условные кубики хранятся не хаотичной грудой, а в соответствии с какой-то логикой, мы и можем говорить о наличии некоего аналога файловой системы.

Файловая система определяет порядок хранения данных на диске и принципы доступа к ним, однако, во многом тип файловой системы зависит и от типа носителя. Например, очевидно, что для магнитной ленты, которая поддерживает запись только последовательных блоков данных, подойдёт лишь одноуровневая файловая система с последовательным доступом к кластерам с информацией, а для современного SSD-диска - любая многоуровневая с произвольным доступом:

По принципу последовательности хранения блоков данных файловые системы, как мы уже увидели, можно разделить на те, которые хранят кластеры с фрагментами файла последовательно или произвольно . Что касается уровней, то по ним ФС можно разделить на одноуровневые и древовидные (многоуровневые).

В первом случае все файлы отображаются в виде единого плоского списка, а во втором - в виде иерархического. Уровень вложений при этом, как правило, неограничен, а ветвление идёт либо только от одного ("root" в UNIX), либо от нескольких корневых каталогов (логические диски в Windows):

К особенностям файловых систем можно также отнести наличие различных механизмов, защищающих структуру данных от сбоев. Одним из наиболее современных механизмов обеспечения отказоустойчивости ФС является журналирование . Оно позволяет записывать в специальные служебные файлы (их называют "журналами" или "логами") все действия, производимые с файлами.

Журналирование может быть полным , когда для каждой операции создаётся бэкап не только состояния кластеров, но и всех записанных данных. Такое журналирование часто применяют для различных баз данных, но оно существенно замедляет работу системы и увеличивает размер логов (фактически логи хранят полный бэкап всей файловой системы со всеми её данными).

Гораздо же более часто журналируются только логические операции и (опционально) состояние кластеров файловой системы. То есть, в журнал записывается только то, что, скажем, файл с именем "file.txt" размером 52 КБ был записан в такие-то кластеры. Содержимое же самого файла в логе никак не значится. Такой подход позволяет избежать дублирования данных, ускоряет процессы работы с файлами и уменьшает в разы размеры самого журнала. Единственный недостаток при таком способе журналирования - при сбое могут быть потеряны записываемые данные (поскольку их копии нет), но само состояние файловой системы останется работоспособным.

Форматирование

Поскольку мы говорим о файловых системах в контексте современных компьютеров с их жёсткими или SSD-дисками, то большее внимание мы уделим именно многоуровневым ФС с произвольным доступом к кластерам. Наиболее популярными в компьютерном мире сегодня являются: FAT32, NTFS, exFAT, ext3/ext4, ReiserFS и HFS+.

Изменение файловой системы на диске достигается его форматированием . Оно предусматривает создание на уровне жёсткого диска в начальном его секторе специальных служебных меток, определяющих принципы доступа к данным. При этом кластеры с имеющимися данными при форматировании, как правило, очищаются или помечаются как пустые и доступные для перезаписи. Исключением являются частные случаи конвертации файловой системы (например, из FAT32 в NTFS), при которой вся структура данных сохраняется.

Для форматирования можно воспользоваться штатными средствами операционной системы (например, консольными командами Linux или контекстным меню диска в Windows), функциями, доступными на подготовительном этапе установки ОС, или же специальными программами. Единственное, что следует учесть при программном решении, так это то, что Ваша операционная система может не поддерживать выбранную Вами файловую систему без установки дополнительных драйверов (например, ext3/4 в Windows):

Существует также понятие низкоуровневого форматирования . Изначально оно подразумевало очистку диска с записью в его кластеры специальной служебной информации для выравнивания считывающих головок. Для современных жёстких дисков такой функции на программном уровне уже не предусмотрено (сделать это можно лишь при помощи спецоборудования), однако понятие низкоуровневого форматирования сохранилось, правда немного трансформировалось.

Осуществляется оно сейчас при помощи специального софта (HDD Low Level Format Tool для Windows) или команд (DD для Linux). При его применении все кластеры жёсткого диска перезаписываются нулями и полностью уничтожается любая разметка. После этого файловая система фактически исчезает и в Windows отображается как RAW . Чтобы получить доступ к диску после такого форматирования, нужно отформатировать его в одной из доступных традиционных файловых систем более высокого уровня.

Особенности файловых систем

Ну а теперь рассмотрим некоторые особенности самых распространённых файловых систем.

FAT32

Одна из самых старых файловых систем для дисков, которая ещё широко используется в наши дни - FAT32 (сокр. англ. "File Allocation Table" - "таблица размещения файлов"). В силу своей распространённости, она поддерживается максимальным числом всевозможного оборудования, начиная с автомагнитол, кончая мощными современными компьютерами. Большинство флеш-накопителей, продаваемых сегодня, тоже отформатированы в FAT32.

Впервые данная ФС появилась в Windows 95 OSR2 в 1996 году, став логическим развитием ещё более ранней FAT16 (1983 год). Одной из основных причин перехода на новую файловую систему стало появление ёмких (по тем временам) жёстких дисков объёмом более 2 ГиБ (гибибайт - более точный вариант гигабайта (109 ) - 230 байт) (максимально возможный размер раздела в FAT16). FAT32 позволила использовать до 268 435 445 кластеров максимум по 32 КБ, что эквивалентно 8 ТиБ на том. Однако, если размер кластера будет стандартным (512 Б), то максимальный размер тома будет лишь чуть более 127 ГБ.

Основой FAT32, как следует из её названия, является файловая таблица. Она хранит в себе записи об имеющихся файлах, а также о времени их создания и последнего доступа к ним. Журналирование отсутствует, поэтому процессы чтения/записи в этой файловой системе происходят быстрее, нежели, например, в NTFS, которая ведёт более полные логи. Именно по причине хорошего быстродействия FAT32 всё ещё широко используется в наши дни.

Главным же недостатком FAT32 на данный момент является ограничение на максимальный размер файла - 4 ГиБ. Файлы, превышающие данный порог, должны быть разбиты на части, что в свою очередь, затрудняет доступ к ним. Кроме того, FAT32 имеет ещё некоторые ограничения в среде Windows. Например, штатными средствами Вы не сможете создать разделы более 32 ГБ. Поэтому флешки на 64 ГБ и более придётся форматировать либо при помощи специального софта, либо на Linux.

Однако, и в этом случае, хоть доступ к носителю и сохранится, но он будет затруднён "тормозами" как при чтении, так и при записи данных. Поэтому при использовании накопителей объёмом более 32 ГБ лучше отформатировать их в иных файловых системах, вроде exFAT или NTFS.

NTFS

Если линейка Windows 95/98 продолжала традиции уже на тот момент устаревающей операционной системы DOS, то новая линейка NT изначально была направлена на инновации. Поэтому с появлением Windows NT 3.1 в 1993 году специально под неё была создана новая файловая система NTFS (сокр. англ. "New Technology File System" - "файловая система новой технологии").

Эта файловая система до сих пор является основной для всех современных версий Windows, поскольку обеспечивает неплохую скорость работы, поддерживает накопители объёмом до 16 ЭиБ (эксбибайт - 260 ) (при максимальном размере кластера в 64 КБ) без ограничений по размерам файлов и имеет в своём арсенале довольно неплохой функционал. Например, NTFS является журналируемой файловой системой, а также поддерживает распределение ролей пользователей для доступа к отдельным данным, чего не было в той же FAT32.

Как и в FAT32, основой NTFS является таблица, но она являет собой более совершенную базу данных и называется MFT (сокр. англ. "Master File Table" - "главная файловая таблица"). Строки в этой таблице соответствуют файлам, хранящимся на конкретном разделе, а столбцы содержат атрибуты этих файлов (дата создания, размер, права доступа и т.п.).

Кроме того, для повышения отказоустойчивости в NTFS ведётся журнал USN (сокр. англ. "Update Sequence Number" - досл. "номер порядка обновления"). В этот журнал, аналогично таблице FAT32, записываются данные об изменениях того или иного файла. Однако, если в таблице FAT32 записывалось только время последнего доступа к данным, что не давало никаких особых практических выгод, то в USN может сохранятся предыдущее состояние файловой системы, что позволяет восстанавливать его в случае сбоев.

Ещё одной особенностью NTFS является поддержка альтернативных потоков данных (англ. "Alternate Data Streams" - ADS). Изначально они были задуманы для разграничения выполнения различных процессов. Потом (в Windows 2000) использовались для хранения некоторых атрибутов файлов (имя автора, иконка и т.п.), аналогично тому, как это делалось в HFS от MacOS. В современных Windows альтернативные потоки могут хранить практически любую информацию. Этим даже пользуются некоторые вирусы для скрытия своего присутствия в системе.

Дело в том, что альтернативные потоки не пеленгуются Проводником Windows и, по сути, невидимы для пользователей и большинства программ. Однако, Вы можете их просматривать и даже пользоваться ими, например, для скрытия каких-либо данных при помощи специального ПО. Смотреть данные в альтернативных потоках удобно при помощи программы NTFS Stream Explorer , а использовать их для сокрытия файлов при помощи Xp-lore :

Из дополнительных особенностей, которые заслуживают упоминания для NTFS, являются поддержка шифрования, сжатия данных, "мягких" и "жёстких" ссылок на файлы (для папок такой возможности, увы, нет), дисковых квот для разных пользователей системы, а также, естественно, разграничения прав на доступ к файлам.

NTFS изначально была создана исключительно для Windows, однако, сегодня поддерживается большинством медиаплееров (флешки могут быть тоже отформатированы в ней), операционными системами Linux и MacOS (правда, с некоторыми ограничениями на запись). Стоит, однако, отметить слабую поддержку NTFS на популярных игровых консолях. Из них поддержка её есть только у Xbox One.

exFAT

С увеличением во второй половине 2000-х годов объёмов флеш-накопителей стало ясно, что повсеместно используемая файловая система FAT32 скоро исчерпает свой потенциал. Использовать журналируемую NTFS для флешек с их ограниченным количеством циклов перезаписи и более медленной работой оказалось не совсем целесообразно. Поэтому в 2006 году всё та же корпорация Microsoft выпустила в свет новую файловую систему exFAT (сокр. англ. "Extended FAT" - "расширенная FAT") в комплекте с операционной системой Windows Embedded CE 6.0:

Она стала логическим продолжением развития FAT32, поэтому иногда её называют также FAT64. Главным козырем новой файловой системы стало снятие ограничения на размеры файлов и увеличение теоретического предела для дискового раздела до 16 ЭиБ (как в NTFS). При этом, в силу отсутствия журналирования, exFAT сохранила высокую скорость доступа к данным и компактность.

Ещё одним преимуществом exFAT стала возможность увеличения размера кластера до 32 МБ, что существенно позволило оптимизировать хранение больших файлов (например, видео). Кроме того, хранение данных в exFAT организовано таким образом, чтобы максимально минимизировать процессы фрагментации и перезаписи одних и тех же кластеров. Всё это сделано, опять же, в угоду оптимизации работы флеш-накопителей, для которых и была изначально разработана файловая система.

В силу того, что exFAT - относительно новая ФС, имеются некоторые ограничения по её использованию. В Windows полная её поддержка появилась лишь в Vista SP1 (хотя есть обновление для Windows XP SP2 - ). MacOS поддерживает exFAT с версии 10.6.5, а для Linux требуется устанавливать отдельный драйвер (в некоторых дистрибутивах он встроен, а в некоторых поддерживается только чтение).

ext2, ext3 и ext4

Если в среде Windows уже не первое десятилетие "правит бал" NTFS, то в лагере Linux традиционно царит очень большое разнообразие, в том числе и среди применяемых файловых систем. Правда, есть одна их линейка, которая используется большинством дистрибутивов по умолчанию. Это файловые системы семейства ext (англ. сокр. "Extended File System" - "расширенная файловая система"), которые с 1992 года изначально создавались именно под Linux.

Наибольшее распространение получила вторая версия ext2 , которая, как и NTFS, появилась ещё в 1993 году. Правда, в отличии от NTFS, ext2 не является журналируемой файловой системой. Это одновременно и её плюс, и минус. Плюс в том, что она является одной из самых быстрых ФС на запись данных. Также отсутствие журналирования делает предпочтительным её использование на флеш-накопителях и SSD-дисках. Платой же за быстродействие является низкая отказоустойчивость.

С целью улучшить стабильность ext2 в 2001 году была разработана её улучшенная версия ext3 . В ней появилось журналирование, которое может работать в трёх режимах: "writeback" (записываются только метаданные файловой системы), "ordered" (запись в журнал производится всегда ПЕРЕД изменением ФС) и "journal" (полный бэкап метаданных и самих изменяемых файлов).

В остальном особых новшеств не появилось. Да и скорость работы, по сравнению с предыдущей версией, существенно снизилась, поэтому уже в 2006 году появился прототип следующей стадии развития файловой системы ext4 , окончательный релиз которой состоялся в 2008 году. Четвёртая расширенная файловая система сохранила журналирование, но существенно повысила скорость чтения данных, которая стала даже выше, чем в ext2!

Из других новшеств стоит отметить увеличение максимального объёма раздела диска до 1 ЭиБ (с 32 ТиБ в ext2 и ext3), увеличение максимального размера файла до 16 ТиБ (с 2 ТиБ в более ранних версиях) и появление механизма экстентов (от англ. "extent" - "пространство"). Последний позволяет обращаться не к одиночным блокам, как это реализовано в других ФС (и в ext3 в частности), а к объединённым пространствам диска из последовательно идущих кластеров, общим объёмом до 128 МБ, что существенно повышает производительность и уменьшает фрагментацию данных.

На сегодняшний день поддержка файловых систем семейства ext той или иной версии присутствует по умолчанию почти во всех Linux"ах. Из них, практически все системы 2010 года выпуска и старше поддерживают ext4. Для доступа к ext-разделам в Windows и MacOS требуется устанавливать специальное ПО и/или драйверы.

ReiserFS

Ещё одной молодой и перспективной файловой системой "родом" из мира Linux является ReiserFS . Стараниями команды американского разработчика Ганса Райзера она стала первой журналируемой ФС, которая была добавлена в ядро Linux версии 2.4.1 в 2001 году, как раз перед добавлением поддержки ext3.

Фактически, как и появившаяся вслед за ней ext3, ReiserFS дала возможность использовать в Linux полное или частичное журналирование. Однако, в отличие от ext3, имела больший допустимый размер файла (до 8 ТиБ против 2) и максимальную длину имени файла равную 255 символам, а не байтам (4032 байт).

Также одной из особенностей ReiserFS, за которую она полюбилась пользователям стала возможность менять размер раздела без его размонтирования. Подобной функции не было у ext2, но позднее она появилась в ext3, хотя ReiserFS в этом плане тоже была первой.

Несмотря на ряд преимуществ перед альтернативными файловыми системами своего времени, ReiserFS также не была лишена недостатков. К наиболее существенным из них стоит отнести довольно слабую отказоустойчивость при повреждении структуры метаданных и неэффективный алгоритм дефрагментации. Поэтому с 2004 года началась работа по улучшению файловой системы, которая стала известна под названием Reiser4 .

Правда, несмотря на ряд нововведений, улучшений и исправлений, новая файловая система осталась уделом немногих энтузиастов. Дело в том, что в 2006 году Ганс Райзер совершил убийство собственной жены и был взят под стражу, а позднее и заключён в тюрьму. Соответственно, его компания Namesys, которая занималась разработкой Reiser4, была расформирована. С тех пор поддержку и доработку файловой системы осуществляет группа разработчиков под курированием русского разработчика Эдуарда Шишкина.

В конечном итоге поддержка Reiser4 в ядро Linux до сих пор так и не добавлена, но ReiserFS имеется. Поэтому многие продолжают использовать её в различных сборках как файловую систему по умолчанию.

HFS

Говоря о файловых системах, характерных для различных операционок, нельзя не упомянуть о MacOS с её HFS (сокр. англ. "Hierarchical File System" - "иерархическая файловая система"). Первые версии данной системы появились ещё в 1985 году вместе с операционной системой Macintosh System 1.0:

По современным меркам данная файловая система была весьма малоэффективной, поэтому в 1998 года вместе с MacOS 8.1 появилась её улучшенная версия под названием HFS+ или Mac OS Extended , которая поддерживается до сегодняшнего дня.

Как и предшественница, HFS+ делит диск на блоки по 512 КБ (по умолчанию), которые объединяет в кластеры, ответственные за хранение тех или иных файлов. Однако, новая ФС имеет 32-битную адресацию (вместо 16-битной). Это позволяет избежать ограничений на размер записываемого файла и обеспечивает поддержку максимального размера тома до 8 ЭиБ (а в последних ревизиях до 16 ЭиБ).

Из других преимуществ HFS+ нужно отметить журналирование (под него выделяется целый скрытый том под названием HFSJ), а также многопоточность. Причём, если в NTFS альтернативные потоки не имеют особо чёткой регламентации на типы хранимой информации, то в HFS+ конкретно выделяется два потока: поток данных (хранит основные данные файлов) и поток с ресурсами (хранит метаданные файлов).

HFS+ практически идеальна для традиционных HDD, однако, как и рассмотренная выше ReiserFS, имеет не самые эффективные алгоритмы борьбы с фрагментацией данных. Поэтому с распространением SSD-накопителей и внедрением их в технику Apple всё чаще на смену ей приходит файловая система, разработанная в 2016 году APFS (сокр. англ. "Apple File System" - "Файловая система Apple"), появившаяся в настольной macOS High Sierra (10.13) и мобильной iOS 10.3.

Во многом APFS сходна с exFAT в плане оптимизации процессов чтения/записи, однако, в отличие от неё, имеет журналирование, поддерживает распределение прав доступа к данным, имеет улучшенные алгоритмы шифрования и сжатия данных, а также может работать с томами размером аж до 9 ЙиБ (не смейтесь - "йобибайт ") за счёт 64-битной адресации!

Единственным минусом APFS является то, что она поддерживается лишь современной техникой Apple и пока недоступна на других платформах.

Сравнение файловых систем

Сегодня мы рассмотрели много различных популярных файловых систем, поэтому не мешало бы свести все данные о них в единую таблицу:

Характеристики / ФС FAT32 NTFS exFAT ext2 ext4 ReiserFS HFS+ APFS
Год внедрения 1996 1993 2008 1993 2006 2001 1998 2016
Сфера применения Windows, съёмные накопители, Linux съёмные накопители, Windows Vista+, Linux Linux, съёмные накопители Linux Linux MacOS MacOS
Максимальный размер файла 4 ГиБ 16 ЭиБ 16 ЭиБ 2 ТиБ 16 ТиБ 8 ТиБ 16 ЭиБ 9 ЙиБ
Максимальный размер тома 8 ТиБ 16 ЭиБ 64 ЗиБ (зебибайт) 32 ТиБ 1 ЭиБ 16 ТиБ 16 ЭиБ 9 ЙиБ
Журналирование - + - - + + + +
Управление правами доступа - + - - + + + +

Выводы

Как видим, для каждой операционной системы существует своя оптимальная файловая система, которая позволяет наиболее эффективно работать с данными. Например, для Windows - это NTFS, для MacOS - HFS+ или APFS. Исключением из правила можно считать лишь многочисленные дистрибутивы Linux. Здесь имеется не один десяток файловых систем, каждая со своими преимуществами и недостатками.

Большинству же пользователей Windows стоит запомнить лишь три наиболее распространённые ФС: FAT32 - для небольших флешек и старого оборудования, NTFS - для большинства компьютеров и exFAT - для ёмких флеш-накопителей и внешних SSD-дисков (об актуальности форматирования системного диска в exFAT до сих пор спорят в виду отсутствия журналирования и большей подверженности сбоям).

P.S. Разрешается свободно копировать и цитировать данную статью при условии указания открытой активной ссылки на источник и сохранения авторства Руслана Тертышного.

Общие сведения о файловых системах

Операционная система Windows 8, поддерживает несколько файловых систем: NTFS, FAT и FAT32 . Но работать может только на NTFS , то есть установлена может быть только на раздел жесткого дис­ка, отформатированного в данной файловой системе. Обусловлено это теми особенностями и инструментами безопасности, которые преду­смотрены в NTFS , но отсутствуют в файловых системах Windows предыдущего поколения: FAT16 и FAT32 . Далее мы остановим­ся на всей линейке файловых систем для Windows, чтобы понять, какую роль они играют в работе системы и как они развивались в про­цессе становления Windows плоть до Windows 8.

Преимущества NTFS касаются практически всего: производительности, надежности и эффективности работы с данными (файлами) на диске. Так, одной из основных целей создания NTFS было обеспечение ско­ростного выполнения операций над файлами (копирование, чтение, удаление, запись), а также предоставление дополнительных возможно­стей: сжатие данных, восстановление поврежденных файлов системы на больших дисках и т.д.

Другой основной целью создания NTFS была реализация повышенных требований безопасности, так как файловые системы FAT , FAT32 в этом отношении вообще никуда не годились. Именно в NTFS вы можете разрешить или запретить доступ к какому-либо файлу или папке (разграничить права доступа).


Сначала рассмотрим сравнительные характеристики файловых систем, а потом остановимся на каждой из них поподробнее. Сравнение, для большей наглядности, приведены в табличной форме.

Файловая система FAT для современных жест­ких дисков просто не подходит (ввиду ее ограниченных возможностей). Что касается FAT32 , то ее еще можно использовать, но уже с натяжкой. Если купить жесткий диск на 1000 ГБ, то вам придется разбивать его как минимум на несколько разделов. А если вы собираетесь заниматься видеомонтажом, то вам будет очень мешать ограничение в 4 Гб как максимально возможный размер файла .

Всех перечисленных недостатков лишена файловая система NTFS . Так что, даже не вдаваясь в детали и специальные возможности файловой системы NTFS , можно сделать выбор в ее пользу.

Файловая
система 		Параметры
Размеры тома Максимальный размер файла
FAT От 1.44 МБ до 4 ГБ 2ГБ
FAT32 Теоретически возможен размер тома от 512 МБ до 2 Тбайт. Сжатие не поддерживается на уровне файловой системы 4ГБ
NTFS Минимальный рекомендуемый размер составляет 1,44 МБ, а максимальный - 2 Тбайт. Поддержка сжатия на уровне файловой системы для файлов, каталогов и томов. Максимальный размер ограничен лишь размером тома (Теоретически - 264 байт минус 1 килобайт. Практически - 244 байт минус 64 килобайта)

Вообще использование FAT32 может быть оправдано лишь в тех случаях, когда у вас на компьютере установлено несколько операционных систем, а какая-либо из них не поддерживает NTFS . Но на сегодняшний день таких практически нет. Разве что вы захотите установить у себя антиквариат типа Windows 98.

Файловая система FAT

Файловая система FAT (обычно под ней понимается FAT 16 ) была разработана достаточно давно и предназначалась для работы с небольшими дисковыми и файловыми объемами, простой структурой каталогов. Аббревиатура FAT расшифровывается как File Allocation Table (с англ. таблица размещения файлов). Эта таблица размещается в начале тома, причем хранятся две ее копии (в целях обеспечения большей устойчивости).
 Данная таблица используется операционной системой для поиска файла и определения его физического расположения на жестком диске. В случае повреждения таблицы (и ее копии) чтение файлов операционной системой становится невозможно. Она просто не может определить, где какой файл, где он начинается и где заканчивается. В таких случаях говорят, что файловая система «упала».
 Файловая система FAT изначально разрабатывалась компанией Microsoft для дискет. Только потом они стали ее применять для жестких дисков. Сначала это была FAT12 (для дискет и жестких дисков до 16 МБ), а потом она переросла в FAT16 , которая была введена в эксплуатацию с операционной системой MS-DOS 3.0.

Файловая система FAT32

Начиная с Windows 95 OSR2, компания Microsoft начинает активно ис­пользовать в своих операционных системах FAT32 - тридцатидвухраз­рядную версию FAT . Что поделать, технический прогресс не стоит на месте и возможностей FAT 16 стало явно недостаточно.
 По сравнению с ней FAT32 стала обеспечивать более оптимальный до­ступ к дискам, более высокую скорость выполнения операций ввода/вывода, а также поддержку больших файловых объемов (объем диска до 2 Тбайт).
 В FAT32 реализовано более эффективное расходование дискового пространства (путем использования более мелких кластеров). Выгода по сравнению с FAT16 составляет порядка 10...15%. То есть при использовании FAT32 на один и тот же диск может быть записано информации на 10... 15% больше, чем при использовании FAT16.
 Кроме того, необходимо отметить, что FAT32 обеспечивает более вы­сокую надежность работы и более высокую скорость запуска программ.
 Обусловлено это двумя существенными нововведениями:
  возможностью перемещения корневого каталога и резервной копии FAT (если основная копия получила повреждения)

Возможностью хранения резервной копии системных данных.

Файловая система NTFS

 Общие сведения
 Ни одна из версий FAT не обеспечивает хоть сколько-нибудь приемле­мого уровня безопасности. Это, а также необходимость в добавочных файловых механизмах (сжатия, шифрования) привело к необходимости создания принципиально новой файловой системы. И ею стала фай­ловая система NT (NTFS)
NTFS - от англ. New Technology File System - файловая система новой технологии
 Как уже упоминалось, основным ее достоинством является защищен­ность: для файлов и папок NTFS могут быть назначены права доступа (на чтение, на запись и т.д.). Благодаря этому существенно повысилась безопасность данных и устойчивость работы системы.  Назначение прав доступа позволяет запретить/разрешить каким-либо пользователям и программам проделывать какие-либо операции над файлами. Например, не обладая достаточными правами, посторонний пользователь не сможет изменить какой-либо файл. Или, опять же не обладая достаточными правами, вирус не сможет испортить файл.
 Кроме того, NTFS , как было сказано выше, обеспечивает лучшую про­изводительность и возможность работы с большими объемами данных.

Начиная с Windows 2000, используется версия NTFS 5.0 , которая, помимо стандартных, позволяет реализовывать следующие возможности:

Шифрование данных - эта возможность реализуется специальной надстройкой NTFS, которая называется Encrypting File System (EFS) - шифрующая файловая система. Благодаря этому механизму шифрованные данные могут быть прочитаны только на компьютере, на котором произошла шифровка.
Дисковые квоты - стало возможно назначать пользователям определенный (ограниченный) размер на диске, который они могут использовать.
Эффективное хранение разреженных файлов . Встречаются файлы, в которых содержится большое количество последовательных пустых байтов. Файловая система NTFS позволяет оптимизировать их хранение.

Использование журнала изменений - позволяет регистрировать все операции доступа к файлам и томам.

 И еще одно нововведение NTFS - точки монтирования . С помощью точек монтирования вы можете определить различные не связанные между собой папки и даже диски в системе, как один диск или папка. Это имеет большую важность для сбора в одном месте разнородной информации, находящейся в системе.

 ■ Напоследок необходимо иметь в виду, что если для файла под NTFS были установлены определенные права доступа, а потом вы его скопировали на раздел FAT, то все его права доступа и другие уникальные атрибуты, присущие NTFS, будут утеряны. Так что будьте бдительны.

 Устройство NTFS. Главная таблица файлов MFT.
 Как и любая другая файловая система, NTFS делит все полезное место на кластеры - минимальные блоки данных, на которые разбиваются файлы. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров - от 512 байт до 64 Кбайт. Однако общепринятым стандартом считается кластер размером 4 Кбайт. Именно он используется по умолчанию. Принцип существования кластеров можно проиллюстрировать следующим при­мером.
 Если у вас размер кластера составляет 4 Кбайт (что скорее всего), а вам нужно сохранить файл, размером 5 Кбайт, то реально под него будет вы­делено 8 Кбайт, так как в один кластер он не помещается, а под файл дисковое пространство выделяется только кластерами.
 Для каждого NTFS-диска имеется специальный файл - MFT (Master Allocation Table - главная таблица файлов) . В этом файле содержится централизованный каталог всех имеющихся на диске файлов. При создании файла NTFS создает и заполняет в MFT соответствующую запись, в которой содержится информация об атрибутах файла, содержимом файла, имя файла и т.п.

Помимо MFT , имеется еще 15 специальных файлов (вместе с MFT - 16), которые недоступны операционной системе и называются метафайлами . Имена всех метафайлов начинаются с символа $ , но стандартными средствами операционной системы просмотреть их и вообще увидеть не представляется возможным. Далее для примера представлены основные метафайлы:

SMFT - сам MFT.
$MFTmirr - копия первых 16 записей MFT, размещенная посе­редине диска (зеркало).
$LogFile - файл поддержки журналирования.
$Volume - служебная информация: метка тома, версия файловой системы, и т.д.
$AttrDef - список стандартных атрибутов файлов на томе.
$. - корневой каталог.
$Bitmap - карта свободного места тома.
$Boot - загрузочный сектор (если раздел загрузочный).
$Quota - файл, в котором записаны права пользователей на ис­пользование дискового пространства.
$Upcase - файл-таблица соответствия заглавных и прописных букв в именах файлов на текущем томе.
Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в кодировке Unicode , которую составляют 65 тысяч различных символов, искать большие и малые эквиваленты которых очень нетривиально.
 Что касается принципа организации данных на диске NTFS, то он условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT-зону - пространство, в которое растет метафайл MFT.
 Запись каких-либо пользовательских данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой. Это делается для того, чтобы самый главный служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.
  Однако при нехватке дискового пространства MFT-зона может сама уменьшаться (если это возможно), так что никакого дискомфорта вы замечать не будете. При этом новые данные уже будут записываться в бывшую MFT-зону.
В случае последующего высвобождения дискового пространства MFT-зона снова будет увеличиваться, однако в дефрагментированном виде (то есть не единым блоком, а несколькими частями на диске). В этом нет ничего страшного, просто считается, что система более надежна, когда MFT-файл не дефрагментирован. Кроме того, при не дефрагментированном MFT-файле вся файловая система работает быстрее. Соответственно чем более дефрагментированным является MFT-файл, тем медленней работает файловая система.

Что касается размера MFT-файла, то он примерно вычисляется, исходя из 1 МБ на 1000 файлов.

Конвертирование разделов FAT32 в NTFS без потери данных. Утилита convert

Вы можете без особого труда конвертировать существующий FAT32-раздел в NTFS. Для этого в Windows 8, Windows 8.1 предусмотрена утилита командной строки convert

Параметры ее работы показаны на скриншоте

Таким образом, чтобы конвертировать в NTFS диск D:, в командную строку следует ввести следующую команду:

После этого от вас попросят ввести метку тома, если такая есть (метка тома указывается рядом с именем диска в окне Мой компьютер . Она служит для более подробного обозначения дисков и может использоваться, а может не использоваться. Например, это может быть Files Storage (D: ).
 Для конвертации флешки команда выглядит так:

convert e : /fs:ntfs /nosecurity /x

Файловая система позволяет систематизировать программы и данные и организовать упорядоченное управление этими объектами.

На операционные системы персональных компьютеров наложила глубокий отпечаток концепция файловой системы, лежащей в основе ОС Unix. В ОС Unix подсистема ввода-вывода унифицирует способ доступа как к файлам, так и к периферийным устройствам. Под файлом при этом понимают набор данных на диске, терминале или каком-либо другом устройстве.

Файловая система — это функциональная часть операционной системы, обеспечивающая выполнение операций над файлами. Файловая система позволяет работать с файлами и директориями (каталогами) независимо от их содержимого, размера, типа и т. д.

Файловая система – это система управления данными.

Система управления данными – система, пользователи которой освобождаются от большинства операций по физическому манипулированию файлами и могут сосредоточить внимание главным образом на логических свойствах данных.

Файловые системы ОС создают для пользователей некоторое виртуальное представление внешних запоминающих устройств, позволяя работать с ними не на низком уровне команд управления физическими устройствами, а на высоком уровне наборов и структур данных.

Файловая система (назначение):

  • скрывает картину реального расположения информации во внешней памяти;
  • обеспечивает независимость программ от особенностей конкретной конфигурации компьютера (логический уровень работы с файлами);
  • обеспечивает стандартные реакции на ошибки, возникающие при обмене данными.

Файловая структура

Вся совокупность файлов на диске и взаимосвязей между ними называется файловой структурой. Развитые операционные системы имеют иерархическую — многоуровневую файловую структуру, организованную в виде дерева.

Используется древовидная структура каталогов – дерево каталогов . Заимствована у Unix. Иерархическая структура – структура системы, части (компоненты) которой связаны отношениями включения или подчинения.

Иерархическая структура изображается ориентированным деревом, в котором вершины соответствуют компонентам, а дуги – связям.

дерево каталогов диска G

Ориентированное дерево – это граф с выделенной вершиной (корнем), в котором между корнем и любой вершиной существует единственный путь. При этом возможны два варианта ориентации: либо все пути ориентированы от корня к листьям, либо все пути ориентированы от листьев к корню.

Деревья используются при описании и проектировании иерархических структур.

Корень – начальная позиция, листья – заключительная позиция.

Разделы

Любой жесткий или магнитооптический диск в процессе форматирования можно разделить на несколько частей и работать с ними как с отдельными (самостоятельными) дисками. Эти части называются разделами или логическими дисками . Разбиение диска на несколько логических дисков может быть необходимо из-за того, что ОС не могут работать с дисками, размер которых превышает определенную величину. Очень удобно хранить данные и пользовательские программы отдельно от системных программ (ОС), ведь ОС может «слететь с компьютера».

Раздел – область диска. Под логическим диском(разделом) в компьютере понимается любой носитель информации, с которым операционная система работает как с единым целым объектом.

Имя диска – обозначение логического диска; запись в корневом каталоге.

Логические диски (разделы) обозначаются латинскими буквами A, B, C, D, E, … (32 буквы от A до Z).

Буквы A, B зарезервированы для обозначения дискет.

С – жесткий диск, обычно с которого производится загрузка ОС.

Остальные буквы – логические диски, компакт-диски и т.д. Максимальное количество логических дисков для ОС Windows – бесконечное.

В таблице разделов указывается расположение начала и конца этого раздела и число секторов в этом разделе (место и размер).

Файловая структура логического диска

Чтобы обратиться к информации на диске, находящейся в файле, надо знать физический адрес первого сектора (№ поверхности + № дорожки + № сектора), общее количество кластеров, занимаемое данным файлом, адрес следующего кластера, если размер файла больше, чем размер одного кластера

Элементы файловой структуры:

    стартовый сектор (начальной загрузки, Boot-сектор);

    таблица размещения файлов (FAT – File Allocation Table);

    корневой каталог (Root Directory);

    область данных (оставшееся свободным дисковое пространство).

Boot -сектор

Boot -сектор – первый (начальный) сектор диска. Находится на 0- стороне, 0-дорожке.

Boot-сектор содержит служебную информацию:

    размер кластера диска (кластер – блок, объединяющий в группу несколько секторов для сокращения размера FAT-таблицы);

    местоположение FAT-таблицы (в вoot-секторе находится указатель на то, где расположена FAT-таблица);

    размер FAT-таблицы;

    количество FAT-таблиц (всегда есть как минимум 2 копии таблицы для обеспечения надежности и безопасности, т.к. разрушение FAT ведет к потере информации и трудно восстанавливается);

    адрес начала корневой директории и ее максимальный размер.

В вoot-секторе находится блок начальной загрузки (загрузчик) – загрузочная запись Boot Record.

Загрузчик – обслуживающая программа, которая помещает выполняемую программу в оперативную память и приводит ее в состояние готовности к исполнению.

FAT (таблица размещения файлов)

FAT (File Allocation Table) – таблица размещения файлов. В ней определено, какие участки диска относятся к каждому файлу.Область данных диска представлена в ОС как последовательность пронумерованных кластеров.

FAT – это массив элементов, адресующих кластеры области данных диска. Каждому кластеру области данных соответствует один элемент FAT. Элементы FAT служат в качестве цепочки ссылок на кластеры файла в области данных.

Структура таблицы размещения файлов:

FAT состоит из элементов длиной 16 /32/64 бита. Всего в таблице может быть до 65520 таких элементов, каждый из них (кроме первых двух) соответствует кластеру диска. Кластер является той единицей, в которой распределяется пространство в области данных на диске для файлов и каталогов. Первые два элемента таблицы (с номерами 0 и 1) зарезервированы, а каждый из остальных элементов таблицы описывает состояние кластера диска с тем же номером. Элемент может указывать, что кластер свободен, что кластер дефектный, что кластер принадлежит файлу и является последним кластером в файле. Если кластер принадлежит файлу и не является его последним кластером, то элемент таблицы содержит номер следующего кластера в этом файле.

FAT – крайне важный элемент файловой структуры. Нарушения в FAT могут привести к полной или частичной потери информации на всем логическом диске. Именно поэтому, на диске хранится две копии FAT. Существуют специальные программы, которые контролируют состояние FAT и исправляют нарушения.

Для разных ОС необходимы разные версии FAT

Windows 95 FAT 16, FAT 32

Windows NT (XP) NTFS

Novell Netware TurboFAT

UNIX NFS,ReiserFS

Логическая структура носителя информации

Способность ОС к «экранированию» сложностей реальной аппаратуры очень ярко проявляется в одной из основных подсистем ОС - файловой системе . Операционная система виртуализирует отдельный набор данных, хранящихся на внешнем накопителе, в виде файла - простой неструктурированной последовательности байтов, имеющей символьное имя. Для удобства работы с данными файлы группируются в каталоги , которые, в свою очередь, образуют группы - каталоги более высокого уровня. Пользователь может с помощью ОС выполнять над файлами и каталогами такие действия, как поиск по имени, удаление, вывод содержимого на внешнее устройство (например, на дисплей), изменение и сохранение содержимого.

Чтобы представить большое количество наборов данных, разбросанных случайным образом по цилиндрам и поверхностям дисков различных типов, в виде хорошо всем знакомой и удобной иерархической структуры файлов и каталогов, операционная система должна решить множество задач. Файловая система ОС выполняет преобразование символьных имен файлов, с которыми работает пользователь или прикладной программист, в физические адреса данных на диске, организует совместный доступ к файлам, защищает их от несанкционированного доступа.

При выполнении своих функций файловая система тесно взаимодействует с подсистемой управления внешними устройствами, которая по запросам файловой системы осуществляет передачу данных между дисками и оперативной памятью.

Подсистема управления внешними устройствами, называемая также подсистемой ввода-вывода, исполняет роль интерфейса ко всем устройствам, подключенным к компьютеру. Спектр этих устройств очень обширен. Номенклатура выпускаемых накопителей на жестких, гибких и оптических дисках, принтеров, сканеров, мониторов, плоттеров, модемов, сетевых адаптеров и более специальных устройств ввода-вывода, таких как, например, аналого-цифровые преобразователи, может насчитывать сотни моделей. Эти модели могут существенно отличаться набором и последовательностью команд, с помощью которых осуществляется обмен информацией с процессором и памятью компьютера, скоростью работы, кодировкой передаваемых данных, возможностью совместного использования и множеством других деталей.

Программа, управляющая конкретной моделью внешнего устройства и учитывающая все его особенности, обычно называется драйвером этого устройства (от английского drive - управлять, вести). Драйвер может управлять единственной моделью устройства, например модемом U-1496E компании ZyXEL, или же группой устройств определенного типа, например любыми Hayes-совместимыми модемами. Для пользователя очень важно, чтобы операционная система включала как можно больше разнообразных драйверов, так как это гарантирует возможность подключения к компьютеру большого числа внешних устройств различных производителей. От наличия подходящих драйверов во многом зависит успех операционной системы на рынке (например, отсутствие многих необходимых драйверов внешних устройств было одной из причин низкой популярности OS/2).



Созданием драйверов устройств занимаются как разработчики конкретной ОС, так и специалисты компаний, выпускающих внешние устройства. Операционная система должна поддерживать хорошо определенный интерфейс между драйверами и остальной частью ОС, чтобы разработчики из компаний-производителей устройств ввода-вывода могли поставлять вместе со своими устройствами драйверы для данной операционной системы.

Прикладные программисты могут пользоваться интерфейсом драйверов при разработке своих программ, но это не очень удобно - такой интерфейс обычно представляет собой низкоуровневые операции, обремененные большим количеством деталей.

Поддержание высокоуровневого унифицированного интерфейса прикладного программирования к разнородным устройствам ввода-вывода является одной из наиболее важных задач ОС. Со времени появления ОС UNIX такой унифицированный интерфейс в большинстве операционных систем строится на основе концепции файлового доступа. Эта концепция заключается в том, что обмен с любым внешним устройством выглядит как обмен с файлом, имеющим имя и представляющим собой неструктурированную последовательность байтов. В качестве файла может выступать как реальный файл на диске, так и алфавитно-цифровой терминал, печатающее устройство или сетевой адаптер. Здесь мы опять имеем дело со свойством операционной системы подменять реальную аппаратуру удобными для пользователя и программиста абстракциями .

Задачи ОС по управлению файлами и устройствами

Подсистема ввода-вывода (Input-Output Subsystem) мультипрограммной ОС при обмене данными с внешними устройствами компьютера должна решать ряд общих задач, из которых наиболее важными являются следующие:

Организация параллельной работы устройств ввода-вывода и процессора;

Согласование скоростей обмена и кэширование данных;

Разделение устройств и данных между процессами;

Обеспечение удобного логического интерфейса между устройствами и остальной частью системы;

Поддержка широкого спектра драйверов с возможностью простого включения в систему нового драйвера;

Поддержка нескольких файловых систем;

Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода.

Одной из основных задач операционной системы является предоставление удобств пользователю при работе с данными, хранящимися на дисках. Для этого ОС подменяет физическую структуру хранящихся данных некоторой удобной для пользователя логической моделью. Логическая модель файловой системы материализуется в виде дерева каталогов , выводимого на экран такими утилитами, как Norton Commander или Windows Explorer, в символьных составных именах файлов, в командах работы с файлами. Базовым элементом этой модели является файл , который так же, как и файловая система в целом, может характеризоваться как логической, так и физической структурой.

Файл - это именованная область внешней памяти, в которую можно записывать и из которой можно считывать данные. Файлы хранятся в памяти, на зависящей от энергопитания, обычно на магнитных дисках. Однако нет правил без исключения. Одним из таких исключений является так называемый электронный диск, когда в оперативной памяти создается структура, имитирующая файловую систему.

Основные цели использования файла:

Долговременное и надежное хранение информации. Долговременность достигается за счет использования запоминающих устройств, не зависящих от питания, а высокая надежность определяется средствами защиты доступа к файлам и общей организацией программного кода ОС, при которой сбои аппаратуры чаще всего не разрушают информацию, хранящуюся в файлах.

Совместное использование информации. Файлы обеспечивают естественный и легкий способ разделения информации между приложениями и пользователями за счет наличия понятного человеку символьного имени и постоянства хранимой информации и расположения файла. Пользователь должен иметь удобные средства работы с файлами, включая каталоги-справочники, объединяющие файлы в группы, средства поиска файлов по признакам, набор команд для создания, модификации и удаления файлов. Файл может быть создан одним пользователем, а затем использоваться совсем другим пользователем, при этом создатель файла или администратор могут определить права доступа к нему других пользователей. Эти цели реализуются в ОС файловой системой.

Файловая система (ФС) - это часть операционной системы, включающая:

Совокупность всех файлов на диске;

Наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;

Комплекс системных программных средств, реализующих различные операции над файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.

Файловая система позволяет программам обходиться набором достаточно простых операций для выполнения действий над некоторым абстрактным объектом, представляющим файл. При этом программистам не нужно иметь дело с деталями действительного расположения данных на диске, буферизацией данных и другими низкоуровневыми проблемами передачи данных с долговременного запоминающего устройства. Все эти функции файловая система берет на себя. Файловая система распределяет дисковую память, поддерживает именование файлов, отображает имена файлов в соответствующие адреса во внешней памяти, обеспечивает доступ к данным, поддерживает разделение, защиту и восстановление файлов.

Таким образом, файловая система играет роль промежуточного слоя, экранирующего все сложности физической организации долговременного хранилища данных, и создающего для программ более простую логическую модель этого хранилища, а также предоставляя им набор удобных в использовании команд для манипулирования файлами.

Задачи, решаемые ФС, зависят от способа организации вычислительного процесса в целом. Самый простой тип - это ФС в однопользовательских и однопрограммных ОС, к числу которых относится, например, MS-DOS. Основные функции в такой ФС нацелены на решение следующих задач:

Именование файлов;

Программный интерфейс для приложений;

Отображения логической модели файловой системы на физическую организацию хранилища данных;

Устойчивость файловой системы к сбоям питания, ошибкам аппаратных и программных средств.

Задачи ФС усложняются в операционных однопользовательских мультипрограммных ОС, которые, хотя и предназначены для работы одного пользователя, но дают ему возможность запускать одновременно несколько процессов. Одной из первых ОС этого типа стала OS/2. К перечисленным выше задачам добавляется новая задача совместного доступа к файлу из нескольких процессов. Файл в этом случае является разделяемым ресурсом, а значит, файловая система должна решать весь комплекс проблем, связанных с такими ресурсами. В частности, в ФС должны быть предусмотрены средства блокировки файла и его частей, предотвращения гонок, исключение тупиков, согласование копий и т. п.

В многопользовательских системах появляется еще одна задача: защита файлов одного пользователя от несанкционированного доступа другого пользователя. Еще более сложными становятся функции ФС, которая работает в составе сетевой ОС.

Файловые системы поддерживают несколько функционально различных типов файлов , в число которых, как правило, входят обычные файлы, файлы-каталоги, специальные файлы, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы и другие.

Обычные файлы , или просто файлы, содержат информацию произвольного характера, которую заносит в них пользователь или которая образуется в результате работы системных и пользовательских программ. Большинство современных операционных систем (например, UNIX, Windows, OS/2) никак не ограничивает и не контролирует содержимое и структуру обычного файла. Содержание обычного файла определяется приложением, которое с ним работает. Например, текстовый редактор создает текстовые файлы, состоящие из строк символов, представленных в каком-либо коде. Это могут быть документы, исходные тексты программ и т. п. Текстовые файлы можно прочитать на экране и распечатать на принтере. Двоичные файлы не используют коды символов, они часто имеют сложную внутреннюю структуру, например исполняемый код программы или архивный файл. Все операционные системы должны уметь распознавать хотя бы один тип файлов - их собственные исполняемые файлы.

Каталоги - это особый тип файлов, которые содержат системную справочную информацию о наборе файлов, сгруппированных пользователями по какому-либо неформальному признаку (например, в одну группу объединяются файлы, содержащие документы одного договора, или файлы, составляющие один программный пакет). Во многих операционных системах в каталог могут входить файлы любых типов, в том числе другие каталоги, за счет чего образуется древовидная структура, удобная для поиска. Каталоги устанавливают соответствие между именами файлов и их характеристиками, используемыми файловой системой для управления файлами. В число таких характеристик входит, в частности, информация (или указатель на другую структуру, содержащую эти данные) о типе файла и расположении его на диске, правах доступа к файлу и датах его создания и модификации. Во всех остальных отношениях каталоги рассматриваются файловой системой как обычные файлы.

Специальные файлы - это фиктивные файлы, ассоциированные с устройствами ввода-вывода, которые используются для унификации механизма доступа к файлам и внешним устройствам. Специальные файлы позволяют пользователю выполнять операции ввода-вывода посредством обычных команд записи в файл или чтения из файла. Эти команды обрабатываются сначала программами файловой системы, а затем на некотором этапе выполнения запроса преобразуются операционной системой в команды управления соответствующим устройством.

Современные файловые системы поддерживают и другие типы файлов, такие как символьные связи, именованные конвейеры, отображаемые в память файлы.

Пользователи обращаются к файлам по символьным именам . Однако способности человеческой памяти ограничивают количество имен объектов, к которым пользователь может обращаться по имени. Иерархическая организация пространства имен позволяет значительно расширить эти границы. Именно поэтому большинство файловых систем имеет иерархическую структуру, в которой уровни создаются за счет того, что каталог более низкого уровня может входить в каталог более высокого уровня (рисунок 2.16).

Рисунок 2.16. Иерархия файловых систем (а – одноуровневая структура, б – древовидная структура, в – сетевая структура)

Граф, описывающий иерархию каталогов, может быть деревом или сетью. Каталоги образуют дерево, если файлу разрешено входить только в один каталог (рисунок 2.16, б), и сеть - если файл может входить сразу в несколько каталогов (рисунок 2.16, в). Например, в MS-DOS и Windows каталоги образуют древовидную структуру, а в UNIX - сетевую. В древовидной структуре каждый файл является листом. Каталог самого верхнего уровня называется корневым каталогом , или корнем (root).

При такой организации пользователь освобожден от запоминания имен всех файлов, ему достаточно примерно представлять, к какой группе может быть отнесен тот или иной файл, чтобы путем последовательного просмотра каталогов найти его. Иерархическая структура удобна для многопользовательской работы: каждый пользователь со своими файлами локализуется в своем каталоге или поддереве каталогов, и вместе с тем все файлы в системе логически связаны.

Частным случаем иерархической структуры является одноуровневая организация, когда все файлы входят в один каталог (рисунок 2.16, а).

Все типы файлов имеют символьные имена. В иерархически организованных файловых системах обычно используются три типа имен файлов: простые, составные и относительные.

Простое, или короткое, символьное имя идентифицирует файл в пределах одного каталога. Простые имена присваивают файлам пользователи и программисты, при этом они должны учитывать ограничения ОС как на номенклатуру символов, так и на длину имени. До сравнительно недавнего времени эти границы были весьма узкими. Так, в популярной файловой системе FAT длина имен ограничивались схемой 8.3 (8 символов - собственно имя, 3 символа - расширение имени), а в файловой системе s5, поддерживаемой многими версиями ОС UNIX, простое символьное имя не могло содержать более 14 символов. Однако пользователю гораздо удобнее работать с длинными именами, поскольку они позволяют дать файлам легко запоминающиеся названия, ясно говорящие о том, что содержится в этом файле. Поэтому современные файловые системы, а также усовершенствованные варианты уже существовавших файловых систем, как правило, поддерживают длинные простые символьные имена файлов. Например, в файловых сиетемах NTFS и FAT32, входящих в состав операционной системы Windows NT, имя файла может содержать до 255 символов.

В иерархических файловых системах разным файлам разрешено иметь одинаковые простые символьные имена при условии, что они принадлежат разным каталогам. То есть здесь работает схема «много файлов - одно простое имя». Для однозначной идентификации файла в таких системах используется так называемое полное имя.

Полное имя представляет собой цепочку простых символьных имен всех каталогов, через которые проходит путь от корня до данного файла. Таким образом, полное имя является составным, в котором простые имена отделены друг от друга принятым в ОС разделителем. Часто в качестве разделителя используется прямой или обратный слеш, при этом принято не указывать имя корневого каталога. На рисунке 2.16, б два файла имеют простое имя main.exe, однако их составные имена /depart/main.ехе и /user/anna/main.exe различаются.

В древовидной файловой системе между файлом и его полным именем имеется взаимно однозначное соответствие «один файл - одно полное имя». В файловых системах, имеющих сетевую структуру, файл может входить в несколько каталогов, а значит, иметь несколько полных имен; здесь справедливо соответствие «один файл - много полных имен». В обоих случаях файл однозначно идентифицируется полным именем.

Файл может быть идентифицирован также относительным именем. Относительное имя файла определяется через понятие «текущий каталог». Для каждого пользователя в каждый момент времени один из каталогов файловой системы является текущим, причем этот каталог выбирается самим пользователем по команде ОС. Файловая система фиксирует имя текущего каталога, чтобы затем использовать его как дополнение к относительным именам для образования полного имени файла. При использовании относительных имен пользователь идентифицирует файл цепочкой имен каталогов, через которые проходит маршрут от текущего каталога до данного файла. Например, если текущим каталогом является каталог /user, то относительное имя файла /user/anna/main.exe выглядит следующим образом: anna/ main.exe.

В некоторых операционных системах разрешено присваивать одному и тому же файлу несколько простых имен, которые можно интерпретировать как псевдонимы. В этом случае, так же как в системе с сетевой структурой, устанавливается соответствие «один файл - много полных имен», так как каждому простому имени файла соответствует по крайней мере одно полное имя.

И хотя полное имя однозначно определяет файл, операционной системе проще работать с файлом, если между файлами и их именами имеется взаимно однозначное соответствие. С этой целью она присваивает файлу уникальное имя, так что справедливо соотношение «один файл - одно уникальное имя». Уникальное имя существует наряду с одним или несколькими символьными именами, присваиваемыми файлу пользователями или приложениями. Уникальное имя представляет собой числовой идентификатор и предназначено только для операционной системы. Примером такого уникального имени файла является номер индексного дескриптора в системе UNIX.

Понятие «файл» включает не только хранимые им данные и имя, но и атрибуты. Атрибуты - это информация, описывающая свойства файла. Примеры возможных атрибутов файла:

Тип файла (обычный файл, каталог, специальный файл и т. п.);

Владелец файла;

Создатель файла;

Пароль для доступа к файлу;

Информация о разрешенных операциях доступа к файлу;

Времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

Текущий размер файла;

Максимальный размер файла;

Признак «только для чтения»;

Признак «скрытый файл»;

Признак «системный файл»;

Признак «архивный файл»;

Признак «двоичный/символьный»;

Признак «временный» (удалить после завершения процесса);

Признак блокировки;

Длина записи в файле;

Указатель на ключевое поле в записи;

Длина ключа.

Набор атрибутов файла определяется спецификой файловой системы: в файловых системах разного типа для характеристики файлов могут использоваться разные наборы атрибутов. Например, в файловых системах, поддерживающих неструктурированные файлы, нет необходимости использовать три последних атрибута в приведенном списке, связанных со структуризацией файла. В однопользовательской ОС в наборе атрибутов будут отсутствовать характеристики, имеющие отношение к пользователям и защите, такие как владелец файла, создатель файла, пароль для доступа к файлу, информация о разрешенном доступе к файлу.

Пользователь может получать доступ к атрибутам, используя средства, предоставленные для этих целей файловой системой. Обычно разрешается читать значения любых атрибутов, а изменять - только некоторые. Например, пользователь может изменить права доступа к файлу (при условии, что он обладает необходимыми для этого полномочиями), но изменять дату создания или текущий размер файла ему не разрешается.

Значения атрибутов файлов могут непосредственно содержаться в каталогах, как это сделано в файловой системе MS-DOS (рисунок 2.17, а). На рисунке представлена структура записи в каталоге, содержащая простое символьное имя и атрибуты файла. Здесь буквами обозначены признаки файла: R - только для чтения, А - архивный, Н - скрытый, S - системный.

Рисунок 2.17. Структура каталогов: а - структура записи каталога MS-DOS (32 байта), б - структура записи каталога ОС UNIX

Другим вариантом является размещение атрибутов в специальных таблицах, когда в каталогах содержатся только ссылки на эти таблицы. Такой подход реализован, например, в файловой системе ufs ОС UNIX. В этой файловой системе структура каталога очень простая. Запись о каждом файле содержит короткое символьное имя файла и указатель на индексный дескриптор файла, так называется в ufs таблица, в которой сосредоточены значения атрибутов файла (рисунок 2.17, б).

В том и другом вариантах каталоги обеспечивают связь между именами файлов и собственно файлами. Однако подход, когда имя файла отделено от его атрибутов, делает систему более гибкой. Например, файл может быть легко включен сразу в несколько каталогов. Записи об этом файле в разных каталогах могут содержать разные простые имена, но в поле ссылки будет указан один и тот же номер индексного дескриптора.

Представление пользователя о файловой системе как об иерархически организованном множестве информационных объектов имеет мало общего с порядком хранения файлов на диске. Файл, имеющий образ цельного, непрерывающегося набора байт, на самом деле очень часто разбросан «кусочками» по всему диску, причем это разбиение никак не связано с логической структурой файла, например, его отдельная логическая запись может быть расположена в несмежных секторах диска. Логически объединенные файлы из одного каталога совсем не обязаны соседствовать на диске. Принципы размещения файлов, каталогов и системной информации на реальном устройстве описываются физической организацией файловой системы. Очевидно, что разные файловые системы имеют разную физическую организацию.

Основным типом устройства, которое используется в современных вычислительных системах для хранения файлов, являются дисковые накопители. Эти устройства предназначены для считывания и записи данных на жесткие и гибкие магнитные диски. Жесткий диск состоит из одной или нескольких стеклянных или металлических пластин, каждая из которых покрыта с одной или двух сторон магнитным материалом. Таким образом, диск в общем случае состоит из пакета пластин (рисунок 2.18).

На каждой стороне каждой пластины размечены тонкие концентрические кольца - дорожки (traks), на которых хранятся данные. Количество дорожек зависит от типа диска. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру диска. Когда диск вращается, элемент, называемый головкой, считывает двоичные данные с магнитной дорожки или записывает их на магнитную дорожку.

Рисунок 2.18. Схема устройства жесткого диска

Головка может позиционироваться над заданной дорожкой. Головки перемещаются над поверхностью диска дискретными шагами, каждый шаг соответствует сдвигу на одну дорожку. Запись на диск осуществляется благодаря способности головки изменять магнитные свойства дорожки. В некоторых дисках вдоль каждой поверхности перемещается одна головка, а в других - имеется по головке на каждую дорожку. В первом случае для поиска информации головка должна перемещаться по радиусу диска. Обычно все головки закреплены на едином перемещающем механизме и двигаются синхронно. Поэтому, когда головка фиксируется на заданной дорожке одной поверхности, все остальные головки останавливаются над дорожками с такими же номерами. В тех же случаях, когда на каждой дорожке имеется отдельная головка, никакого перемещения головок с одной дорожки на другую не требуется, за счет этого экономится время, затрачиваемое на поиск данных.

Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин пакета называется цилиндром (cylinder). Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (sectors), или блоками (blocks), так что все дорожки имеют равное число секторов, в которые можно максимально записать одно и то же число байт. Сектор имеет фиксированный для конкретной системы размер, выражающийся степенью двойки. Чаще всего размер сектора составляет 512 байт. Учитывая, что дорожки разного радиуса имеют одинаковое число секторов, плотность записи становится тем выше, чем ближе дорожка к центру.

Сектор - наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью. Для того чтобы контроллер мог найти на диске нужный сектор, необходимо задать ему все составляющие адреса сектора: номер цилиндра, номер поверхности и номер сектора. Так как прикладной программе в общем случае нужен не сектор, а некоторое количество байт, не обязательно кратное размеру сектора, то типичный запрос включает чтение нескольких секторов, содержащих требуемую информацию, и одного или двух секторов, содержащих наряду с требуемыми избыточные данные (рисунок 2.19).

Рисунок 2.19. Считывание избыточных данных при обмене с диском

Операционная система при работе с диском использует, как правило, собственную единицу дискового пространства, называемую кластером (cluster). При создании файла место на диске ему выделяется кластерами. Например, если файл имеет размер 2560 байт, а размер кластера в файловой системе определен в 1024 байта, то файлу будет выделено на диске 3 кластера.

Дорожки и секторы создаются в результате выполнения процедуры физического, или низкоуровневого, форматирования диска, предшествующей использованию диска. Для определения границ блоков на диск записывается идентификационная информация. Низкоуровневый формат диска не зависит от типа операционной системы, которая этот диск будет использовать.

Разметку диска под конкретный тип файловой системы выполняют процедуры высокоуровневого, или логического, форматирования.

При высокоуровневом форматировании определяется размер кластера и на диск записывается информация, необходимая для работы файловой системы, в том числе информация о доступном и неиспользуемом пространстве, о границах областей, отведенных под файлы и каталоги, информация о поврежденных областях. Кроме того, на диск записывается загрузчик операционной системы - небольшая программа, которая начинает процесс инициализации операционной системы после включения питания или рестарта компьютера.

Прежде чем форматировать диск под определенную файловую систему, он может быть разбит на разделы. Раздел - это непрерывная часть физического диска, которую операционная система представляет пользователю как логическое устройство (используются также названия логический диск и логический раздел). Логическое устройство функционирует так, как если бы это был отдельный физический диск. Именно с логическими устройствами работает пользователь, обращаясь к ним по символьным именам, используя, например, обозначения А, В, С, SYS и т. п. Операционные системы разного типа используют единое для всех них представление о разделах, но создают на его основе логические устройства, специфические для каждого типа ОС. Так же как файловая система, с которой работает одна ОС, в общем случае не может интерпретироваться ОС другого типа, логические устройства не могут быть использованы операционными системами разного типа. На каждом логическом устройстве может создаваться только одна файловая система .

mob_info